(57)【要約】【課題】出力光学系にレンズを用いながら色収差の問題を解消し、また、光量減少を伴うことなく照射域を調整可能にした波長可変単色光源を提供する。【解決手段】波長可変単色光源の出力光学系３にズームレンズ（レンズ系１８）を用いると共に、このレンズ系１８の焦点距離を変えるズーム駆動機構２３とレンズ系１８の全体または一部をその光軸方向に移動させて焦点調整を行う合焦機構２２とを備えた。また、これらを自動制御するために、ハーフミラー１９、イメージセンサー２０、及び制御装置２１を設けた。これにより、出力波長を変えたとき焦点の再調整を行うことで色収差を解消することができ、ズーミングにより照射域を調整することが可能となる。【選択図】          図１
2006047270.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を分光器で波長分散し、そのうちの一部の波長域の光を出力光学系を通して投射面に投射出力するように構成された波長可変単色光源において、前記出力光学系を焦点距離可変のレンズ系を用いて構成すると共に、該レンズ系の焦点距離を変えるズーム駆動機構と、該レンズ系の全体または一部をその光軸方向に移動させる合焦機構とを備えて成る波長可変単色光源。
【請求項２】
レンズ系の出力光の光路中に設置した光路分割手段と、該光路分割手段により前記レンズ系の出力光から分割された光が投射されるイメージセンサーと、該イメージセンサーの出力画像信号を処理して前記ズーム駆動機構をフィードバック制御する制御装置とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の波長可変単色光源。
【請求項３】
イメージセンサーの出力画像信号を処理して前記合焦機構をフィードバック制御する制御装置を備えたことを特徴とする請求項２に記載の波長可変単色光源。
【請求項４】
光源からの光を波長分散しそのうちの一部の波長域の光を選択的に出力する分光器と該分光器の出力波長を選択する波長選択機構とを備えると共に該分光器の出力光をリレーレンズを介して投射面に投射出力するように構成された波長可変単色光源において、前記投射面を前記リレーレンズの出射側光軸に沿って移動させる駆動機構と、前記波長選択機構に連動して前記駆動機構を制御する制御手段を備えたことを特徴とする波長可変単色光源。
【請求項５】
投射面が光ファイバの端面である請求項４に記載の波長可変単色光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸光分光分析等で用いられる波長可変単色光源、特にその出力光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長を或る範囲内で任意に選択できる単色光源として分光器が利用される。
図４に、分光器の基本的な構成例を示す。これは、回折格子（グレーティング）を中心に、光源、ミラー等を配して構成される光学系であって、ツェルニ・ターナ型分光器として知られるものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
同図において、光源１１から発した光は集光ミラー１２で集光され、入口スリット１３を通過し、コリメータミラー１４で平行光に変換されてグレーティング１５へと送られる。ここで波長分散された光のうち所定波長範囲の光が結像ミラー１６により集光されて、入口スリット１３の像（以下、単に像と記す）が投射面１７に結像される。投射面１７は仮想的な面であって、分光分析の場合はここに試料セル（図示しない）が置かれ、出力された単色光はこの試料セルに照射され、これを透過した光の光度を受光部（図示しない）で検出するように構成される。グレーティング１５の表面中心を通る紙面に垂直な軸の廻りにグレーティング１５を回転させると、出口スリット１７ａの位置に到達する光の波長が変化するから、これにより出力される単色光の波長を適宜選択することができる。
【０００４】
投射面１７に出口スリット１７ａを設け、これを通して外部に単色光を取り出すように構成する場合もある。分光器から出力される単色光は、分析・計測等の目的で照射対象（例えば、比色計のセル）に照射されるが、その際、照射対象まで単色光を導くために光ファイバが用いられることがある。この場合、分光器から光ファイバへ効率よく光を伝達するための接続装置が必要となる。
【０００５】
図５に、従来から用いられている分光器と光ファイバとの接続装置の構成例を示す。
同図において、１０は分光器であって、例えば図４に示すような光学系から成るものとする。８は光ファイバであり、図においては分光器１０に近い端部のみが示されている。７は、光学像を適当に拡大／縮小しながら他の位置に伝送するリレーレンズであり、ここでは分光器１０の出口スリット１７ａの像を光ファイバ８の端面に伝送して再度結像させる役割を負う。４は、例えば図４に示すグレーティング１５を回転させることにより出力光の波長を選択する波長選択機構であって、オペレータが手動で操作するもの、或いはモータ等を用いて自動化したもの等がある。
このような構成により、分光器１０と光ファイバ８をリレーレンズ７を介して接続し、選択された波長の単色光を図示しない照射対象まで伝送できる。これ以外の従来の接続装置の構成においても小異はあるが、いずれも分光器１０の出口スリット１７ａの像を光ファイバ８の端面に結像することで分光器１０からの出力光を効率よく光ファイバ８に導入するように構成されている
【０００６】
図４に示す光学系は、光源１１からの光を集めて送り出す光源部１、その光を分光する分光光学系２、及び分光された光を投射出力する出力光学系３に区分される。なお、例えば特許文献１の図７に示されているように、分光光学系２と出力光学系３とを一括して全体を２区分する場合もあるが、ここでは説明の便宜上、上記の３区分に従うものとする。図５の例のように、外部に単色光を取り出す場合は、出力光学系３は外部まで延長される。即ち、図５におけるリレーレンズ７等は出力光学系３の一部と考えることができる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２８９７１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図４に示す光学系は、光学素子として主にミラーを用いて構成する反射光学系であるが、この他に主にレンズを用いて構成する屈折光学系もある。屈折光学系は、反射光学系と比べて振動に強いという利点があるが、一方、色収差（波長により焦点距離が異なる現象）の問題がある。即ち、出力光学系にレンズを用いた場合、ある波長で投射面に正しく結像するように調整しても、他の波長では像がぼやけて拡がるため、出口スリットで所謂ケラレが生じて出力光量が減少する。このため、屈折光学系は振動に強いという特徴を有するにも拘わらず、波長可変単色光源にはこれまで殆ど適用されることがなかった。
【０００９】
図５におけるリレーレンズ７についても色収差の問題が生じる。例えば、図５において、単レンズを使用した場合、波長５５０ｎｍの場合に焦点距離Ｆ１は２００ｍｍとすると、波長２００ｎｍでは焦点距離Ｆ２は１６０ｎｍとなる。即ち、一般に図５に示すような光学系において、分光器１０の出力波長を変えたときは、リレーレンズ７から出射される単色光の像はぼやけて光ファイバ８の端面よりも大きく拡がり、光エネルギーの伝送損失が生じる。
【００１０】
また、汎用の単色光源としては、照射対象（試料セルや受光部）の大きさに応じて照射域（投射面に結像する像の大きさ）を調整できることが望ましいが、これは従来は基本的に不可能であり、強いて照射域を変えるために光路に可変絞りを設ける例もあるが、絞りによる照射域調整は出力光量の減少を伴うことが問題であった。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その第一の目的は、出力光学系にレンズを用いながら色収差に起因する光エネルギー損失のない波長可変単色光源を提供することにある。また、本発明の第二の目的は、光量減少を伴うことなく照射域を調整可能にした波長可変単色光源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するための基本的構成として、出力光学系に焦点距離可変のレンズ系、所謂ズームレンズを用いると共に、このレンズ系の焦点距離を変えるズーム駆動機構とこのレンズ系の全体または一部をその光軸方向に移動させる合焦機構とを備えるように構成する。このように構成することにより、レンズ系の焦点距離を変えること（ズーミング）で出力波長を変えたときに生じる焦点のズレ（色収差）を補正することができ、また、照射域を調整することも可能となる。
【００１３】
本発明の第２は、上記基本構成に加えて、ハーフミラー等の光路分割手段により分割された出力光をイメージセンサー上に投射し、その出力画像信号を処理して焦点情報または照射域情報を取り出し、これをフィードバックしてズーム駆動機構を制御する制御装置を備えるように構成する。これにより、波長を変えたときに自動的にレンズ系の焦点距離を調整して色収差を補正することが可能となり、また、照射域の調整を自動化できる。
【００１４】
本発明の第３は、上記イメージセンサーの出力画像信号を処理して焦点情報を取り出し、これをフィードバックして合焦機構を制御する制御装置を備えるように構成する。これにより、照射域設定時に焦点を自動的に調整できる。
【００１５】
さらに本発明の第４は、光ファイバ等を介して出力光を照射対象まで伝送する場合に、投射面（例えば光ファイバの端面）をリレーレンズの出射側光軸に沿って移動させる駆動機構とこれを分光器の波長選択機構に連動して制御する制御手段とを設けるように構成する。このように構成することにより、単色光の波長を変えたとき、波長変化にもとづく焦点距離の変化に応じてリレーレンズと投射面との間の距離を変えることで焦点を合わせることができるので、像のぼやけによる光エネルギーの伝送損失が防止できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は上記のように構成されているので、振動に強い屈折光学系を用いながら、屈折光学系に特有の色収差の問題を解消することが可能となり、特に色収差が大きく出る３５０ｎｍ以下の紫外域まで波長域を拡大した波長可変単色光源を提供することができる。また、照射域の調整が可能であるから、汎用性にすぐれた波長可変単色光源を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１に本発明の一実施形態を示す。本発明は出力光学系３に関するものであり、本発明に直接関係のない光源部１及び分光光学系２については図１では略示されている。略示された光源部１及び分光光学系２は、図４に示す従来例と同様のもの、または図４におけるミラー等の反射光学素子をレンズ等の屈折光学素子で置き換えて構成されるものである。
【００１８】
図１において、１８は複数のレンズを組み合わせて焦点距離可変の凸レンズとして作用するように構成されたレンズ系であって、一般にズームレンズとして知られるものであり、モータ等で駆動されるズーム駆動機構２３によりズーミング（焦点距離の変更）が行われる。２２は、同様にモータ等で駆動され、このレンズ系１８をその光軸方向に移動させて焦点調整を行うための合焦機構である。１７は図４におけると同じく仮想的な投射面、１９はレンズ系１８の出力光路中に設置されたハーフミラー、２０は、平面的に配置された多数の受光素子（画素）により画像情報を出力するイメージセンサーであって、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）で構成されるものである。イメージセンサー２０と投射面１７はハーフミラー１９から等距離に配置されており、レンズ系１８の出力光はハーフミラー１９で分割されてイメージセンサー２０の表面と投射面１７とに同じ像を結ぶ。
２１はコンピュータで構成される制御装置であって、イメージセンサー２０から送られる画像信号を処理して、合焦機構２２及びズーム駆動機構２３を制御するものである。
【００１９】
このように構成された本実施形態は以下のように動作する。
光源部１から発して分光光学系２で分光された光が出力光学系３のレンズ系１８に入射し、ここで集光されて投射面１７に結像するが、同時にハーフミラー１９で反射された光がイメージセンサー２０の表面にも同じ像を結ぶ。この像はイメージセンサー２０により画像信号に変えられ、制御装置２１に送られ、その内部のコンピュータにより処理されて、焦点情報が抽出される。焦点情報は、例えば、像の輪郭付近の近接する画素間で明るさを比較することによって得られ、その差が最大になる点を以て合焦とする。このような焦点情報により合焦機構２２を制御し、レンズ系１８を前後に移動させるようにフィードバック制御を行うことで焦点調節ができる。こうした焦点調節には、カメラ分野で既に確立されているオートフォーカスの技術が応用できる。
こうしてイメージセンサー２０上で焦点が合えば、ハーフミラー１９からイメージセンサー２０と等距離にある投射面１７上でも合焦像が得られる。
【００２０】
照射域を調整する場合は、イメージセンサー２０からの画像信号を処理して照射域情報を抽出する。照射域情報としては、例えば、光を受けている画素数を集計すれば照射域の面積が求められるから、これを設定値と比較してその差がより小さくなるようにズーム駆動機構２３を制御する。ズーム駆動機構２３によりレンズ系１８のズーミングが行われると、その焦点距離が変化し投射される像の大きさが変わるから、このフィードバック制御により、投射面１７に結ばれる像の大きさが設定値に合致するように自動調整できる。なお、ズーミングにより焦点距離が変化すると焦点がずれるから、上記の合焦機構２２による焦点調節を併用する。また、この照射域調整のためのフィードバック制御系は常時働く必要はなく、設定を変えるときだけスイッチ等（図示しない）の操作により作動するように構成すればよい。
【００２１】
このようにして或る波長において照射域を設定し焦点を合わせた状態で、出力波長を変更したときはレンズ系１８の色収差により焦点のズレが生じる。色収差を補正する場合は、イメージセンサー２０からの画像信号を処理して上記焦点調節の場合と同様の焦点情報を得、これをフィードバックしてズーム駆動機構２３を制御して合焦させる。このとき合焦機構２２を動かしてはならない。このようにズーミングによって焦点を合わせることにより、波長による焦点距離の変化をレンズ系１８の焦点距離を変えることで補正することになるので、像の大きさ（照射域）を変化させることなく色収差を解消することができる。
【００２２】
上記はフィードバック制御により焦点及び照射域を自動調整する場合についての説明であるが、オペレータが手動操作により調整するように構成することも可能である。
即ち、イメージセンサー２０からの画像信号を適当な表示装置（図示しない）に表示するように装置を構成し、オペレータはこの表示を見ながら合焦機構２２とズーム駆動機構２３を手動操作して合焦像の大きさ（照射域）が所望の大きさになるように調整し、また、出力波長を変更したときは、ズーム駆動機構２３を手動操作して焦点を再調整すればよい。
【００２３】
なお、単色光を外部に取り出す場合は、照射域に応じてスリットの大きさを変えられる可変スリット（図示しない）を投射面１７に設ければよい。
また、ハーフミラー１９は他の光路分割手段で置き換えることもできる。
さらに、レンズ系１８の焦点調節は、レンズ系全体を前後に動かすことなく、レンズ系１８を構成する一部のレンズのみを動かして行うように設計することも可能であり、これにより合焦機構２２をより小型簡易化することができる。
【実施例１】
【００２４】
図２に本発明の他の実施例を示す。同図においては、図５と同じ構成要素には同一の符号を付してある。
本実施例において図５に示す従来構成と相違する点は、投射面９（光ファイバ８の端面）をリレーレンズ７の出射側光軸に沿って移動させる駆動機構５と、この駆動機構５を制御する制御手段６を設けたことである。制御手段６は、コンピュータを内蔵し、波長選択機構４からの波長信号を受けて波長に応じた合焦位置まで投射面９を移動させるように駆動機構５を制御するものである。
【００２５】
上記のように構成された本実施例の動作を以下に説明する。
いま、分光器１０から波長λ１の単色光が出力されているとき、光ファイバ８の端面はリレーレンズ７からＬ１の距離にあって端面には正確な合焦像が結像されているものとする。オペレータが波長選択機構４を操作して、分光器１０からの出力波長をλ２に変更すると、その波長信号が制御手段６に入力される。制御手段６は、内蔵コンピュータに予め種々の波長に対して実験的に求めた合焦位置情報を記憶しており、或いは、予め記憶した計算式により合焦位置を算出するように構成されている。これにより、波長λ２に対する合焦位置Ｌ２が直ちに求められ、光ファイバ８をこの位置（図２において点線で示す位置）まで移動させるように駆動機構５を制御する。この結果、光ファイバ８の端面（投射面９）に合焦像が得られるから、出力光は損失なく光ファイバ８に伝達される。
【００２６】
図２における駆動機構５の具体的な構成の一例を図３に示す。
図３（Ａ）において、制御手段６により制御されるパルスモータ５６の出力軸には、ナット５３と螺合するねじ５４が直結されており、ナット５３と連結された支持板５２には保持具５１を介して光ファイバ８が保持されている。
このような構成において、制御手段６からの制御信号に応じてパルスモータ５６が正逆いずれかの方向に回転すると、ねじ５４も共に回転し、これに螺合するナット５３がナット案内台５７上を図の左右方向に駆動され、これに従って光ファイバ８が光軸に沿って移動する。このような機構により光ファイバ８の端面を合焦像が得られる位置に移動させることが可能となる。ピエゾ素子５５は、制御手段６からの印加電圧に応じて微小に伸縮することで焦点の微調整を行うものである。また、同図（Ｂ）は保持具５１を光軸方向から見た図であって、環状の保持具５１のほぼ中心に光ファイバ８が４個のピエゾ素子５８を介して保持されており、このピエゾ素子５８に印加する電圧を適当に調整することで光軸調整（光ファイバ８の中心を光軸に合わせる）を行うことができる。
【００２７】
なお、図２における制御手段６は、必ずしもコンピュータを用いなくても、カム等のメカニズムにより波長選択機構４と駆動機構５を機械的に連動させる構造とすることも不可能ではない。また、駆動機構５としては図３と異なる構造も設計可能であり、投射面９は光ファイバ８の端面に限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、単色光を利用して分析、計測、その他の光照射を行う装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態を示す図である。
【図２】本発明の他の実施形態（実施例１）を示す図である。
【図３】実施例１における部分的構成例を示す図である。
【図４】分光器の基本的構成を示す図である。
【図５】従来の構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  光源部
２  分光光学系
３  出力光学系
４  波長選択機構
５  駆動機構
６  制御手段
７  リレーレンズ
８  光ファイバ
９  投射面
１０  分光器
１１  光源
１２  集光ミラー
１３  入口スリット
１４  コリメータミラー
１５  グレーティング
１６  結像ミラー
１７  投射面
１７ａ  出口スリット
１８  レンズ系
１９  ハーフミラー
２０  イメージセンサー
２１  制御装置
２２  合焦機構
２３  ズーム駆動機構
５１  保持具
５２  支持板
５３  ナット
５４  ねじ
５５  ピエゾ素子
５６  パルスモータ
５７  ナット案内台
５８  ピエゾ素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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